某产品自动化装配线技术集成与工艺技术研究

段来明，闫晓东，刘永刚，李润伟，李 涛，李 壮

(淮海工业集团有限公司，山西 长治 046012)

某产品总装生产线采用传统的人员密集、零散式工作模式生产，装配人员达30人以上，长期以来，该生产线以人工流转、手工作业、手工检测等劳动密集型生产方式为主，生产模式、关键工序质量管控方法落后，依靠装配人员素质来保证质量。部分工位生产环境恶劣、人员聚集，危害工人健康，存在安全隐患。随着生产任务大幅增加和不均衡生产，传统的密集型人员手工装配的生产模式与日益提高的任务量已不相适应，特别是产品的高性能和高可靠性要求也对产品装配提出了更高的标准，迫切需要对现有生产线进行自动化和信息化改造。

1 研究目标及应用设计

1.1 研究目标

通过布局优化、工序优化、工位优化，高度的人机结合工程设计和人机料法环测的互联互通、信息感知，实现装配过程的连续化、自动化、柔性化、智能化装配[1]。

消除10人以上危险作业场所和现有的安全隐患，提升生产线本质安全度和精益化水平，提高生产效率、产品一致性、可靠性，建成一条实用、管用、好用、耐用的总装精益生产线。

1.2 功能拓展与应用设计

1)装配总控制系统性能可靠、技术成熟，能长期、稳定、连续运行；总控制系统与分执行系统具有可扩展、可推广的柔性化技术。

2)立足现状，在自动化建设与实施的基础上，充分考虑生产过程中的人机协同，充分考虑现有工艺流程与精益化、自动化和信息化集成，满足精益生产线建设评价规范。

3)本着安全、高效、经济、实用的原则，从设计方案到实施过程等阶段，全程评审论证。充分考虑总体装配属连续化、集成化设备的运行寿命和稳定性。

1.3 装配自动化与柔性生产化目标

1)产品总体装配以机器人与非标实施、信息化管控等技术紧密结合，实现全流程自动化；从进入装配到产出成品的各工序各环节，实现数据采集、存储、反馈及处理自动化。

2)装配生产线所有设备及设施具备故障自行判断、诊断信息提示，以便第一时间快速处理；人机防护、设备故障、运行管控、安全监控等异常运行，具备自动化实时报警提醒。

3)生产线能满足现有多系列产品的柔性化生产，能兼容与现结构类似的新产品的拓展应用；实现生产流程的精准控制、产品信息实时跟踪以及信息采集、处理、传送、存储和分析。

2 装配流程与装配技术研究

建设装配自动化生产线，就要研究装配工艺及装配细节，进行科学规划，总体研究装配模式与装配路线，结合前期人工装配工艺过程中的宝贵经验，设定新的装配线要突出自动化、柔性化、安全快捷化，自动化替代手工装配不是简单的机器代人，产品以倍速链线体为中心，需要根据不同产品、不同零部件装配工艺要求及装配顺序，以柔性化、通用化、数字化精确控制模式，通过托盘承载传递半成品及成品零件，借助于工业机器人机械抓手，按照模块化、流程化设计任务要求，将线体、非标设备、固化库等独立式工作站串联起来，形成连续、自动、信息化生产线[2]。

2.1 原总装装配生产线概况

原有总装装配生产线采用传统的人员密集、零散式工作模式，存在危险工序人员聚集、安全隐患较大的现象；部分工位生产环境恶劣，危害工人健康；以人工流转、手工生产、检测等劳动密集型方式为主；生产模式、关键质量管控方法落后，手段单一，人为影响因素较大。随着近几年来生产任务的大幅增加且生产不均衡，造成生产线超负荷运行，再加上人员总量的减少和系列新产品的增加，装配能力已不能满足生产需求。

2.2 新建总装生产线流程与工艺技术要点研究

1)零部件准备是开始装配的第一个环节，在线端零部件库，根据生产计划人工完成当日班产量的零部件配盘及装配批次、序号、年号的录入，指导组织批量化生产。

2)舱段对接为关键装配工序，在装配自动生产线工位上，要自动完成各舱段的上线、夹紧、定位、对接，半自动完成发动机与战斗部开口螺环的拧紧等工序；通过半自动机器辅助完成连接各舱段的螺钉拧紧、收翼面、调整弹带等工序，关键技术是如何精确定位、准确对接，涵盖拧紧力矩值的确定和调整，收翼角度控制与调整等工作，在非人工操作过程中，大量的机械控制、非标实施设计、机电一体化管控和信息上传等技术，都在为后续研究奠定基础。

3)测试主要包括电性能检测、物理量检测、气密性检测、合膛检测等测试工序，根据测试应用与发展的现状，需采用非标检测仪器设备，进行全自动检测并采集、分析检测数据。

4)药筒装配涉及工序较多且复杂，属重要工序，要在人工辅助完成部件装配的基础上，通过自动化运行完成产品搬运、合膛检查、密封性检查、综合尺寸测量、电性能检测、紧塞具高度测量、灵活性检查、重量检测等任务，并在此基础上完成各种检测、判定等系列研究工作。

5)收口工序要实现产品收口装配全过程自动化，自动采集、分析收口过程中的相关检测数据。通过自动化控制运行，完成产品收口后的补漆工序，结合烘干设备使产品能实时烘干。胶漆固化工序采用人工涂胶与自动化上线、存储和下线等工序相结合模式。

6)喷标志和包装工序位于装配末端，要求将产品及生产序号、批号、年号、厂号等信息，在指定部位自动完成标志喷漆，以作为产品的身份信息及质量跟踪依据。

3 改善对策与解决方案

产品装配生产线整线设计过程中参照并采用高端汽车产线设计标准、高标准系统控制、多自由度机器人、机器人视觉、自动装箱、自动检测、自动拧紧、WMS系统等先进技术，针对产品装配特点，在静电防护、涉火产品检测、装配、包装、运输等方面，按军工行业相关标准采取措施，建设一条信息化、智能化、安全可靠的装配生产线。

3.1 参照高端汽车产线设计标准

整条装配生产线的设计图样及技术资料实行标准化，产线整体规范统一，各个工位内相关元器件、走线、管路清晰明确，便于管理、检查维修。

3.2 高标准系统控制集成与信息展示

PLC控制系统采用主从站的控制方式，主站PLC负责整体生产线控制，从站PLC实现各个专机的独立控制，防止专机出现问题时影响主生产线的生产[3]。

3.3 多功能精益工作台

集成电子看板、工艺信息卡、工作台、工具料盒、操作面板、扫码枪、平板相机等为一体的多功能操作台，便于人工操作记录信息。

3.4 柔性工装和托盘

整线利用高柔性托盘和工装，达到12种产品共线、快速换产。通过简单明确的指示，旋转对应的旋钮即可，节省常规换产时更换工装板的复杂工序[4]，节约成本，减轻劳动力与时间。

3.5 机器人自动抓取、放置和搬运

整条装配生产线采用7台机器人，配合传输线体及线边设备(见图1)，将整条生产线串联起来，拉动式生产模式，节省人工搬运，避免产生回流、交叉等物流情况。机器人携带抓手，在视觉的引导下，对产品进行精确的抓取、放置，节省人工搬运。

图1 自动化装箱

3.6 物理量自动检测专机与自动拧紧专机

全自动定位工件，检测工件质量、质心、长度等物理量信息，通过PLC实时自动传输数据并储存[5]。自动拧紧过程中，按既定拧紧力矩对工件进行自动拧紧，拧紧力矩没有达到系统要求或拧紧的距离与系统设定不一致，系统将会声光报警(见图2)。

图2 自动拧紧专机

3.7 自动化电检测

托盘进入抗爆间自动定位，插线机插头伸出，与托盘的航空插座对接，高精度电检测设备对工件进行相应参数检测，完成后检测数据自动采集上传。消除现有人工搬运进入电检测间、人工抗爆间插接线缆、手动关闭防爆门等危险工序，提高安全性和效率。

3.8 自动包装、喷码

工位人员只需对产品进行扫码，信息自动通过PLC通信，机器人配合抓手，在视觉的引导下对产品进行自动装箱工序，喷码机对产品自动喷码。

4 关键工艺技术突破与创新成效

4.1 关键技术攻关和成效验证

针对本项目中抓手、发动机与战斗部预紧专机、3D视觉合膛检测系统、收翼专机等重点、难点工序，对专机进行实况、实物验证，达到产品检测要求。

1)抓手：主要验证夹取战斗部是否可行。因战斗部工艺要求不可用力夹取，而又要稳定可靠地将战斗部从上线料盘中夹取出来放置到设备上。通过试验验证结果如下：抓手抓取工件位置精准，紧固无松动，对工件本体无损伤；战斗部不能受力，故采用上下止口限位，中间间隙采用差值环抱，可准确、牢固抓取工件；视觉引导抓取，有效避免人工上料位置不准、避免损伤工件等问题[6](见图3)。

图3 抓手试验场景

2)发动机与战斗部对接预紧：主要验证其对接预紧功能是否可行，人机协助的工作模式是否方便。发动机与战斗部对接之前需要对接插头，拧接地线螺钉，以往此操作需要2名操作者协作进行，一人扶住战斗部，一人对接插头，拧螺钉，费时费力。设计方案为机械手将战斗部垂直放置，发动机水平放置，此时两段舱体成90°，便于人工对接插头，拧螺钉，完成后发动机自动旋转90°，同时发动机下降，与战斗部对接，人工用扳手预紧(见图4)。通过试验验证结果如下：工件自动抓取，上下件位置精确；发动机与战斗部线缆对接后，发动机旋转对接可行；气缸推动对接，克服垫圈阻力可行；自制拧紧工具预紧螺环可行；工件由设备进行搬运与对接，减轻操作者工作强度可行；设备自动对轴心，精度高，两部分工件更容易对接成功。

图4 对接预紧试验

3)3D视觉成像合膛检测系统：主要验证其功能及精度是否能够满足工艺要求。由于以往通过合膛规的检测模式容易损伤工件表面漆层，采用无接触式检测方式，利用外形轮廓检测设备，在机器人的引导下，对产品工艺中要求的轮廓度、同轴度进行检测(见图5)。通过试验验证结果如下：满足工件所有的外观尺寸检测要求，准确化程度高；采用高精度测量传感器，精度可达0.01～0.02 mm，数据集中保存，具有可追溯性；取消原有测量方式，采用无接触式测量，避免工件与量规间的接触导致的表面磨损；技术成熟可靠，已应用在多个装配领域且有成熟的案例[7]。

图5 3D合膛检测试验实景

4)收翼专机：收翼专机主要由顶升组件、夹紧组件、解锁组件、收翼组件、压装组件组成。工件由抓手放置到位，夹紧组件对工件进行定位，定位完成后，收翼组件由顶升组件顶升到位，解锁组件移动到位后，首先对翼片进行解锁，然后收翼组件驱动，直至将翼片收缩到位；人工将弹托安装在尾翼座上，压装组件自动将弹托压装至仪器舱上(见图6)。通过试验验证结果如下：解锁销轴直径较小，容易折断；通过更换销轴的类型，解决了此问题，翼片解锁成功。翼片收缩过程较为顺滑，达到理论状态，方案可行，安全可靠。

图6 收翼专机试验实景

4.2 安全防护与设备管控技术得到突破

4.2.1 筑牢安全第一的设计原则

1)对有爆炸危险的作业要在抗爆间内完成，人机要隔离；生产线具有可靠导静电及接地装置，保证无孤立导体存在；生产线各个运动副之间采用不同材料，避免在相对运动时产生火花导致发生危险[8]。

2)生产线设计安全互锁，包含硬件互锁和软件互锁；机械手或机器人在产品转线过程中设有防止产品跌落措施，避免产品在突然断电、断气时产品跌落；地面安装有防护网，防止极端情况产品掉落地面；在人机交互区域采取隔离措施，避免设备误动作伤人。

3)夹紧工装与产品接触部位做软化处理，减少夹紧时对产品的冲击，避免危险；在喷漆工序设有排风除尘装置，降低粉尘浓度，排除有害气体；装配线上所有的设备及电气元件均符合Ⅱ类危险场所防爆要求[9]。

4.2.2 科学设计、规划各区域安全

生产线不同的作业区域(人工区、人机结合区和自动化区)具有明显的隔离措施；禁止人员进入的区域设置安全隔离装置，人机结合的区域专机设备设置合理限位，划分人机各自的活动区域。

1)自动工位安全设计方案。

自动工位的安全围栏高度为2.0 m，在围栏外侧设置安全警示标志；安全门锁上设置有挂锁位置，做到一人一锁，进门挂锁，安全围栏外安装急停按钮和复位按钮控制安全区域内所有设备，可以快速有效地停止设备和就地复位设备。当安全设备的保护区域被触发时，应切断移动设备的驱动电源，如电机的主回路，气缸的控制信号，气缸等夹紧装置带有机械自锁功能，避免产品脱落。

2)人机结合自动工位安全设计方案。

人机结合工位安装人工按钮操作盒，具有急停、复位、手/自动、启动等功能；人工按钮操作盒与工装之间必须有一定的安全距离，避免操作人员在操作按钮盒时能接触到单机设备；人工上料工位，人与工装、机器人与工装之间必须安装安全保护设备——安全光栅进行安全保护，确保保护区域无盲点。安全设备保护区域也应保持一定的安全距离，避免操作人员在保护区域外能接触到工装夹头等设备，造成人员伤害(见图7)。当安全设备的保护区域被触发时，可切断人工上料工位的输出模块的电源。

图7 人机结合自动工位安全方案

4.2.3 突发故障与管控

在停电、停气或设备故障等突发情况下，生产线具备产品防跌落装置，升降装置不允许发生自滑；生产线各类设备设施可自动或手动恢复至安全状态。在突发事件发生时能自动记录设备及产品的状态，在恢复运转时能够维持突发事件前的状态(避免二次事故)。经人工确认、干预或在不产生安全风险条件下自动恢复，陆续启动设备后正常运行。

生产线能够自动监测和记录设备运行情况，出现异常情况时能够进行报警，并且立即停止系统运转，同时将相关故障代码发送至控制中心及故障工位，方便维修，恢复生产线正常运转；所有检测仪器、电脑等如不符合防爆要求，应与涉火装配区域实现物理隔离；自动喷码设备双重接地保护；夹持类专机设备，具备手动接触功能。自动运输车(AGV)、自动导引车(AGV)在危险生产环境应用的安全规范。符合标准的AGV适用于弹药、引信装配及固体发动机装配(含装配后喷漆)场所使用。

安全护网：设在设备移动部件的外部，将可移动部分包裹在设备内部，防止人员在非维修状态下，触碰活动件，对人员造成伤害。某特种装备装配线设备护网如图8所示。

图8 某特种装备装配线设备护网

4.3 生产线运行与整体防护技术得到巩固

4.3.1 装配自动化生产线运行安全防护

1)线体安全。倍速链链条采用不锈钢材质，工装托盘与倍速链接触部分耐磨条采用碳钢材质，这样保证运动时不会产生火花；工装托盘上的夹具，与产品接触部分采用防静电橡胶，其电阻值满足要求；倍速链设备本体接地。

2)产品安全。生产线运行过程中，产品输送平稳、可靠、固定牢靠，在操作和传输时不发生倾倒、摇摆、磕碰；机械手臂抓、移、放置产品时可靠，无干涉。托盘上工件限位装置如图9所示。

4.3.2 装配车间整体安全防护级别得到提升

产线多级化、全方位设置安全屏障，100%保护操作人员的安全，具有防静电、防爆、防错等安全措施。满足机械设计、电气设计、软件设计安全标准，以及与其配套的网络系统集成及综合布线设计标准、装配生产防静电安全规程、防静电用品设施验收等标准的要求。新产线消除了10人以上危险场所，节约了制造成本，重要的是装配效率增加一倍，生产线所产生的废气排放完全符合环保要求，装配环境(见图10)符合现代化制造业的发展要求[10]。

图9 托盘上工件限位装置

图10 装配生产线局部运行示意图

4.3.3 装配自动化生产线线路防爆技术应用

1)抗爆间的装甲门(传递窗)与抗爆间内的自动设备进行互锁，只有当抗爆装甲门关闭时，自动化设备才能运行，否则设备处于禁止运行状态。

2)所有电缆具有良好的绝缘性，防止漏电；采用屏蔽电缆传输电源和信号，降低电磁干扰；不同种类的信号线缆应隔离铺设。

4.4 产品装配技术得到提升

4.4.1 质量信息实时动态监控

生产线采用信息化的设计理念，从产品的上线、装配、检测、包装、下线，到具体各工位操作者信息，通过扫码枪、信息化检测设备、打卡机等信息采集设备，全程实现数据自动采集，质量可追溯，履历书电子化，数据分析实时化。

4.4.2 装配信息展示

采用数字孪生技术，通过虚实互连技术手段，详细记录了生产线产品的全生命周期数据，即时跟踪产品的装配过程，并可以进行实时数据查询、追溯、监控、预测的整个产线的运行情况，辅助管理人员更加直观地了解产线的运行状态。

4.4.3 可追溯性信息

信息系统的数据采集实现了对生产线的全覆盖，详细记录了生产线产品的全生命周期数据，即时跟踪产品的装配过程，并可以进行实时数据查询、追溯。

4.4.4 异常管理维护

线体采用模块化、可替换、接头快插、备用性设计，故障恢复时间小于2 h；生产线控制系统具有自动诊断功能，在发生故障时能提示相应的故障代码及故障点信息，生产线上对应位置的柱灯会变为红色闪烁状态并发出报警声音，方便设备维修人员快速到达与维修。

4.4.5 防错、防呆技术

软件：具备自动防错功能，通过主控界面进行产品类型的切换，同时PLC根据工装上传感器状态再次确认切换产品类型是否一致。确认无误后PLC将产品型号信息传递给机器人，机器人自动调用相对应的工艺程序，实现自动控制，装配过程正确可追溯。

PLC控制系统：采用主从站的控制方式，主站PLC负责整体生产线的控制，从站PLC实现各个专机的独立控制，防止专机出现故障时影响主生产线的生产。

硬件：托盘取颜色和字体双重标识，并在上线端部增加检测开关，根据PLC判定托盘是否换型正确。拧紧力矩达不到系统要求，系统将会声光报警。

紧固件料盒：每个人工工位配置紧固件纠错料盒，按工序定量配给，防错防呆便于识别。

5 结语

以产品装配连续化、柔性化、通用化为基础，将先进的自动化技术贯穿始终，确保了系列产品在装配过程中实现自动化。在实施过程中围绕目标任务，加大各项研究，先后解决了高精度电检测和数据自动采集上传问题，避免人工进入抗爆间参与检测的安全和效率难题；增加了军检自动化检测平台，可使进入抗爆间的相关参数检测数据自动形成军检报表，解决了装配工序间的质量抽验问题，为解决高效换产问题，通过模块化的快换设计，利用一键切换功能即可实现快速换型。集中先进的制造技术和安全防护措施，将机器人与智能制造技术应用于总体装配生产线，在视觉识别与精确定位、高效运行与安全防爆等方面得到显著提升，有力推动了建设进程，经过大量的产品生产验证和数据分析，各项工作成效显著。